Elektronik

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Elektronik
Vorbereitung:
Halbleiter
und
deren
charakteristische
Eigenschaften,
einfache
Halbleiterbauelemente: Heißleiter NTC, Photowiderstand LDR, Eigenleitung,
Störstellenleitung, pn-Übergang, Aufbau und Wirkungsweise der Diode,
Aufbau und Wirkungsweise des Transistors, Grundlagen für den Transistor
als Verstärker.
Literatur:
Leybold-Heraeus: Grundlagen der Elektronik
Tietze-Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik (Springer-Verlag, 1990)
Versuchsbeschreibung:
Halbleiter
Grundlage für das gesamte Gebiet der Elektronik sind die Halbleiter, die
durch folgende charakteristische Eigenschaften gekennzeichnet sind:
1. Ihre Leitfähigkeit liegt zwischen der von Leitern und Nichtleitern.
2. Ihr elektrischer Widerstand nimmt bei Zufuhr von Wärme- bzw.
Lichtenergie ab. Halbleiterbauelemente, die diese Eigenschaften
demonstrieren, sind die Heißleiter NTC (negative temperature coefficient)
bzw. die Photowiderstände LDR (light dependent resistor).
Halbleiter basieren auf Elementen aus der IV. Hauptgruppe (z.B. Si), bei
denen alle vier Valenzelektronen zu Bindungen mit den vier Nachbaratomen
benötigt werden. Sie sind ortsgebunden, können aber durch Energiezufuhr
(z.B. Wärme oder Lichteinfall) abgelöst werden und im elektrischen Feld
driften (entspricht Stromfluss). Durch das Ablösen eines Elektrons entsteht
ein freier Platz, in das ein Elektron der Nachbaratome nachrücken kann. Den
freien Platz nennt man Loch oder Defektelektron. Durch das Nachrücken
anderer Elektronen bewegen sich die Löcher, aber in entgegengesetzter
Richtung zu den Elektronen. Der Gesamtstrom setzt sich aus der Summe von
Elektronen- und Löcherstrom zusammen.
Durch Einbringen von Fremdatomen mit einer abweichenden Anzahl an
Valenzelektronen (Dotieren), kann man die Leitfähigkeit stark beeinflussen.
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Ersetzt man in einem Si-Kristall Si-Atome durch Atome der V. Hauptgruppe
(z.B. P) so werden nur vier der fünf Valenzelektronen für die Bindung
benötigt, das fünfte ist zwar durch die Kernladung an das P-Atom gebunden,
seine Bindungsenergie ist jedoch wesentlich geringer (einige 10 meV) anstatt
1.1 eV für ein Valenzelektron in Si. Bereits bei Zimmertemperatur (25 meV)
sind praktisch alle Störatome ionisiert und die freien Elektronen stehen zur
Leitung zur Verfügung. Da dabei der Stromfluss auf negativen
Ladungsträgern basiert, spricht man von n-Leitung und von n-Dotierung.
Werden Atome der III. Hauptgruppe (z.B. Al) in einen Si-Kristall eingebaut,
so fehlen Valenzelektronen zur Bindung. Im Gitter entstehen
Defektelektronen, die nur schwache an das Fremdatom gebunden sind.
Elektronen der Nachbaratome können bei geringer Energiezufuhr dieses Loch
besetzen, wodurch in einem anderen Atom ein Loch entsteht. Das
Defektelektron wandert also durch das Kristallgitter; man spricht von pLeitung bzw. p-Dotierung.
pn-Übergang/Halbleiter-Diode
Von weitaus größerer Bedeutung sind Halbleiterbauelemente, die einen oder
mehrere pn-Übergänge besitzen. Ein pn-Übergang (Abb.1) entsteht immer
dann, wenn ein p-dotiertes und ein n-dotiertes Halbleitermaterial direkt in
Berührung kommen. Den einfachsten pn-Übergangs stellt die HalbleiterDiode (Abb. 2) dar.
Abb. 1 pn-Übergang
Abb. 2 Diode
Aufgrund des Konzentrationunterschieds diffundieren wegen ihrer
thermischen Bewegung Elektronen vom n-Gebiet über die pn-Grenzschicht in
das p-Gebiet und Löcher in umgekehrter Richtung. In der Grenzschicht
kommt es zu Rekombination von Elektronen und Löchern; dies führt zu einer
Verarmung an Ladungsträgern, es bildet sich eine Sperrschicht und die
Leitfähigkeit der Grenzschicht sinkt.
Wird eine äußere Gleichspannung so an den pn-Übergang angelegt, dass ihr
Pluspol an der p-Schicht und ihr Minuspol an der n-Schicht anliegt, werden
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die Elektronen in der n-Schicht und die Löcher in der p-Schicht in die
Grenzschicht und darüberhinaus getrieben, wo sie rekombinieren. Da die
Spannungsquelle ständig Ladungsträger nachliefert fließt ein Strom, der pnÜbergang ist in Durchlassrichtung geschaltet. Bei umgekehrter Polung
werden die Elektronen aus der n-Schicht und die Löcher aus der p-Schicht
abgesaugt, die Sperrschicht wird vergrößert. Der pn-Übergang ist in
Sperrrichtung geschaltet, es fließt kein Strom (In Wirklichkeit fließt auch in
Sperrrichtung ein kleiner sogenannter Sperrstrom, da bereits bei
Raumtemperatur einige Elektronenpaarbindungen in der Sperrzone
aufgebrochen werden.). Abbildung 3 zeigt eine typische Diodenkennlinie, d.h.
den durch die Diode fließenden Strom abhängig von der anliegenden
Spannung. In Sperrrichtung fließt ein kleiner Sperrstrom (im pA-Bereich), in
Durchlassrichtung steigt der Strom exponentiell mit der anliegenden
Spannung an.
Abb. 3: Diodenkennlinie
Transistor
Bipolare Transistoren (im Folgenden einfach Transistoren genannt)
enthalten drei Schichten unterschiedlichen Leitungstyps, also zwei pnÜbergänge. Je nach Reihenfolge unterscheidet man pnp- und npnTransistoren (Abb. 4). Von großer Bedeutung für die Wirkungsweise des
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Transistors ist, daß die mittlere Schicht (Basis B) sehr schmal und schwach
dotiert ist. Die äußeren Schichten werden Emitter(E) und Kollektor(C)
genannt. Man kann sich den Transistor als zwei gegeneinander geschaltete
Dioden vorstellen mit der Basis als Mittelabgriff.
Abb. 4 Aufbau und Schaltzeichen eines Transistors
Funktionsweise eines npn-Transistors: Durch Anlegen einer positiven
Spannung von etwa 0.6 – 0.7 V an die Basis ist die Basisemmitterdiode in
Durchlassrichtung geschaltet; die Elektronen gelangen in die p-Schicht und
werden vom Pluspol der Spannung UBE angezogen. Da die p-Schicht sehr dünn
ist, wird nur ein geringer Teil der Elektronen zur Basis fließen.
Abb. 5
Funktionsweise eines npn-Transistors in Emitterschaltung
Der größte Teil der Elektronen bewegt sich weiter in die obere Grenzschicht.
Dadurch wird diese leitend und der Pluspol der Spannung UCE zieht die
Elektronen an. Es fließt ein Kollektorstrom IC. In üblichen Transitoren fließen
etwa 99% der Elektronen vom Emitter zum Kollektor und nur 1% zur Basis.
Durch einen kleinen Basisstrom kann also ein großer Kollektor-Strom gesteuert
werden (Transistor als Stromverstärker).
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Zur Charakterisierung von Transistoren werden die gegenseitigen
Abhängigkeiten von Strömen (IB, IC, IE) und Spannungen (UCE, UBE, UCB) in
sogenannten Kennlinienfeldern (vgl. Abb. 6) dargestellt.
Abb. 6 Kennlinienfelder eines Transistors in Emitterschaltung
Die Ausgangsgrößen bei der Emitterschaltung sind der Kollektorstrom IC und
die Kollektor-Emitterspannung UCE für verschiedene Basisströme IB bzw. BasisEmitterspannungen UBE. Die Stromsteuerkennlinie (auch Übertragungskennlinie
genannt) gibt den Zusammenhang zwischen Kollektorstrom IC und Basisstrom IB
für einen bestimmten Wert von UCE. Aus der Steigung dieser Kennlinie ergibt
sich die Stromverstärkung. Als Eingangskennlinie findet man das Verhalten des
in Durchlassrichtung gepolten pn-Übergangs Emitter-Basis wieder
(Diodenkennlinie).
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Aufgaben:
Sämtliche Schaltskizzen sind in das Protokollheft zu übertragen.
1. Eigenschaften verschiedener Halbleiter-Bauelemente
1.1 Photowiderstand
a)Man untersuche die Widerstandsabhängigkeit eines Photowiderstands
(LDR) von der Beleuchtung (Abb.7). Dazu ändere man die Helligkeit der
Glühlampe durch etwa 10 Einstellungen des Potentiometers und bestimme
den jeweiligen Widerstandswert des LDR. Messen Sie auch die jeweilige
Leistung der Glühbirne, indem Sie mit Mulimetern Strom und Spannung
messen. Tragen Sie den Widerstand des LDR doppeltlogarithmisch über die
elektrische Leistung der Glühbirne auf. Bestimmen Sie den Koeffizienten a,
der die Abhängigkeit des Widerstandes des LDR von Beleuchtungsstärke
bzw. der Leistung P der Glühlampe angibt (R ~ P −a ).
A
6 V~
200 Ω
4,7 K
V
LDR
V
+
9V-
A
Abb. 7
Hinweis: Um das Auftreffen des Lichts von außerhalb zu vermeiden, stülpe man
den beigelegten Karton über Glühlampe und LDR (gestrichelte Linie in Abb.7).
≂
b) Als Anwendung baue man eine Lichtschranke (Abb.8) und erkläre deren
Funktionsweise.
33VRelais
Klingel
+Glühlampe
aus Aufbau 1
LDR
4V~
Abb. 8
Verwenden Sie als Lichtquelle den linken Teil der Schaltung aus Abbildung 7.
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1.2 Heißleiter
a)Die Eigenschaften eines Heißleiterwiderstandes (NTC) sollen bestimmt
werden. Dazu verwende man Schaltung Abb. 9.
Man lese alle 10 Sekunden Strom und Spannung an den Messgeräten ab.
Berechnen Sie daraus den Widerstand des NTC, und tragen Sie ihn über der Zeit
auf.
+
15 V-
100 Ω
↑↓
V
A
ϑ
Abb. 9
Hinweis: Sollte sich bei einer Spannung von 15V der Widerstand des NTC nicht
wesentlich ändern, so wird er durch die elektrischen Energie, die an ihn
abgegeben wird, nicht ausreichend erwärmt. Arbeiten Sie mit einer etwas
höheren Spannung. Ändert sich der Widerstand zu schnell verringern Sie die
Spannung.
b) In der Anordnung Abb. 10 verwende man den NTC dazu, den Anzug eines
Relais zu verzögern.
↑↓
+
ϑ
19V100Ω
Abb. 10
Erklären Sie die Funktionsweise!
4V
0,04A
4V~
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2. Eigenschaften von Halbleiterdioden
a) Man messe die I-U-Kennlinie einer Si-Halbleiterdiode in Durchlaßrichtung
zwischen 0 V und maximal 0,8 V (Abb.11). Tragen Sie Ihre Messwerte linear
und logarithmisch auf. Welchen Zusammenhang zwischen Strom und Spannung
beobachten Sie?

100Ω
+
9 V-
A
0...0,8 V
V
200 
Abb. 11
Man drehe die Diode ( Sperrichtung ) und überzeuge sich, daß selbst bei 9 V
(ohne Vorwiderstand ) kein meßbarer Strom fließt ( Begründung ).
b) Als Anwendung baue man eine Einweggleichrichterschaltung (Abb. 12) und
untersuche die Spannung am Ausgang mit dem Oszilloskop:
Gleichrichterschaltung:
LED
100
4V~

Uout
Abb. 12
- Verwenden Sie zunächst den Funktionsgenerator als Spannungsquelle. Wählen
Sie eine kleine Frequenz und überzeugen Sie sich, dass die LED nur während
einer Halbwelle der Wechselspannung leuchtet.
- Verwenden Sie nun den 4V-Ausgang des Transformators und skizzieren Sie
die beobachtete Ausgangsspannung des Gleichrichters in Ihr Heft; erklären Sie
den beobachteten Verlauf.
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3. Transistoren
3.1 Kennlinienfeld
a) Überprüfen Sie zunächst den npn-Transistor BD130 auf
Funktionsfähigkeit, indem sie den Widerstand zwischen jeweils 2
Anschlüssen in allen Kombinationen und Polungen (6 Messungen) mit einem
digitalen Multimeter messen. Überlegen Sie sich dazu anhand des
vereinfachten Ersatzschaltbildes eines Transistors (zwei gegeneinander
geschaltete Dioden entspricht Emitter-Kollektor-Strecke; Abgriff in der Mitte
entspricht der Basis) in welcher Kombination Sie einen hohen bzw. kleinen
(im kBereich) Widerstand erwarten.
b) Nehmen Sie das Ausgangskennlinienfeld (Kollektorstrom IC als Funktion der
Kollektor-Emitter-Spannung UCE), d.h. IC = f(UCE) für 4 verschiedene Werte von
UBE (Bereich: 0.5 – 0.55V) auf (Abb. 13). Bei der Einstellung von UBE sollte
eine Spannung UCE von einigen Volt anliegen, da sich für sehr kleine Werte von
UCE die Spannung UBE ändert. Variieren Sie bei der Messung bei festem UBE
(notieren Sie sich auch den jeweiligen Wert von IB ) die Spannung UCE zunächst
in 1V Schritten (0-9V) und messen danach im Bereich unter 0.5V, in dem sich
der Kollektorstrom stark ändert, in feineren Schritten. Stellen Sie die 4
Kennlinien graphisch dar (Bitte sofort auftragen, wird in Aufgabe 3.2 benötigt!).
IC
0...+9V
100
IB
0...+4,5V
BD130
100
UCE
UBE
0V
0V
Abb. 13
c) Für eine feste Betriebs-Spannung von +9 V messe man die Steuerkennlinie
IC = f( IB ) und IC = f( UBE ) des Transistors BD 130 (Schaltung wie in Abb.
13 ) und stelle die Messwerte graphisch dar. Bestimmen Sie den
Stromverstärkungsfaktor  =
∂ IC
∂ IB
des Transistors. Tragen Sie IC = f( UBE )
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logarithmisch auf und bestimmen Sie daraus die Boltzmann-Konstante k.
eU
EB
kT
Hinweis: Für den Kollektorstrom gilt I =I e
C
0
3.2 Transistor als Verstärker (Emitterschaltung)
Abbildung 14 zeigt eine Transistorverstärkerstufe für Wechselspannung mit dem
npn-Transistor BD130 in Emitterschaltung, die mit einer Spannung von 9V
betrieben wird; bei der Emitterschaltung dient der Emitter als gemeinsame
Elektrode (Masse) für Eingangs- und Ausgangssignal.
39 kΩ
1k
 47 F
+ 9V
+
Uout
Uin
47 μF
10 kΩ
0V
Abb. 14
a) Zeichnen Sie in Ihr Kennlinienfeld aus Aufgabe 3.1 b) die Arbeitsgerade für
den hier verwendeten Lastwiderstand von 1k, indem Sie die Grenzfälle
Uout=0V(Transistor lässt vollständig durch) und Uout=9V(Betriebsspannung,
Transistor sperrt vollständig) betrachten und den dazugehörigen Kollektorstrom
berechnen. Zeichnen Sie auf der Arbeitsgeraden einen sinnvollen Arbeitspunkt
ein (normalerweise halbe Betriebsspannung).
b) Legen Sie an den Eingang mit Hilfe des Funktionsgenerators ein Sinussignal
einer Frequenz von 20 kHz und einer Amplitude von etwa 10 mV (Dämpfung
-40dB verwenden!). Schauen Sie die Ausgangsspannung mit dem Oszilloskop
an und stellen Sie mit Hilfe des Potentiometers den Arbeitspunkt so ein, dass die
Eingangsspannung unverzerrt am Ausgang verstärkt vorliegt. Bestimmen Sie
den Verstärkungsfaktor. Messen Sie den Kollektorstrom IC und die Spannung
UCE und vergleichen Sie mit Ihrer Erwartung aus a).